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문제 정의
- 즉, 동일한 조건과 약량에서도 품종에 따라 약해 정도가 다르게 나타날 수 있다. 따라서 국내에서 재배하는 16가지 품종에 대한 EK-5439의 안전성을 약해발생 범위의 처리농도에서 조사하였다(표4).
- 본 논문에서는 이러한 일련의 과정 중 신규 합성화합물 EK-5439에 대하여 품종, 처리 시기와 이앙심도에 따른 약해 안전성 및 제초효과를 비교 조사하고, 작용점 PPO에 대한 저해활성 등을 조사하여 현재 사용되고 있는 oxadiazon과 oxadiargyl 두 가지 제초제를 비교물질로 하여 특성을 파악하고 새로운 제초제를 개발하는 최적화 과정의 일환으로 수행하였다.
가설 설정
- 이 제 초제들은 PPO저해제 들이 갖고 있는 여러 가지의 특징들을 가지고 있는데, 그것들은 다음과 같다. 1) 살 초작용을 위해서는 빛이 필요하다. 2) 약해의 증상이 매우 빨리 나타난다(약제 살포 후 수 시간 내에 살초 증상을 볼 수 있다).
- 3) 주로 post-emergence 타입이다 (최근에는 pre-emergence 타입도 발견되고 있다). 4)약제에 대한 식물의 저항성이 생기지 않는다. 5) 토양 미생물에 의한 분해가 빨라서 윤작에 문제가 없으며 환경오염의 문제도 거의 없다.
제안 방법
- 5엽기의 유묘를 3본씩 3 cm 깊이로 이앙하였다. 3 cm 담수상태로 온실에서 재배하면서 이앙 후 0, 2, 5, 7일 후 제초제를 처리하였다. 실험은 3반복으로 수행하였고, 피 방제효과는 제초제 처리 2주일 후 달관(0>100)으로 조사하였다.
- ) 당 3본씩 2 cm 깊이로 이앙하였다. 3 cm 담수상태에서 이앙 2일 후 제초제를 처리하고 약제처리 4주 후 초장을 측정하여 무처리와 비교하였다. 이앙심도에 따른 안전성 조사는 육묘상자에서 생육시킨 2엽기의 모를 폿트(표면적 150 cm2) 당 3본씩 1, 2, 3 cm 깊이로 이앙한 후 3 cm 담수상태에서 이앙 2일 후 제초제를 처리하고 4주 후 초장과 분얼 수를 조사하여 무처리와 비교하였다.
- Protox 저해활성은 보리를 이용하여 조사하였다. 먼저 암 조건에서 7일 동안 재배한 보리 잎을 수확하여 마쇄한 후 etioplast를 Percoll을 이용한 농도별 원심분리를 통하여 Sherman 등(1991) 등의 방법에 준하여 분리시켰다.
- LUDPR) 등이었다. 각 폿트는 3 cm 담수상태로 28-33℃ (주간), 20-26℃ (야간)의 온실에 두고 담수상태에서 제초제 용액을 점적 처리하였다. 제초제 용액은 합성 원제를 용매(아세톤)로 녹이고 tween-20을 0.
- 국내에서 재배되는 벼 16 품종(대진, 대안, 서진, 오대, 동진, 낙동, 화성, 추청, 일품, 서안, 화명, 오봉, 다산, 안다, 향미Ⅱ, 태백)의 종자를 육묘상자에서 생육시킨 후 2.5엽기의 모를 폿트(표면적 150 cm2) 당 10본씩 이앙하고 3 cm 담수상태에서 이앙 2일 후 제초제를 1,000 g ai/ha와 4,000 g ai/ha로 처리하고 온실에서 재배하였다. 제초제에 대한 품종별 약해는 2주 후 초장과 분얼 수를 조사하여 무처리와 비교하였다.
- 벼에 대한 안전성은 이앙 벼의 묘령뿐만 아니라 이앙심도에 의해서도 변화될 수 있다(한 등, 1990a; b; 김, 1992). 따라서 2엽기의 모를 1, 2, 3 cm의 깊이로 이앙하고 2일 후 제초제를 처리하여 4주 후 초장과 분얼 수를 조사하였다(표 3). EK-5439를 처리한 이앙 벼의 초장은 처리량이 증가하거나 이앙심도가 낮을수록 감소하는 경향이었다.
- EK-5439는 구조상으로 볼 때 bicyclic pyrazole 유도체로 PPO를 저해하는 cyclic imide계 화합물이며 살초 증상에서도 동질성을 가지고 있기 때문에 작용점이 PPO에 있을 것으로 예측할 수 있다. 따라서 대표적인 PPO 저해 제초제인 oxadiargyl를 표준물질로 하여 보리로부터 추출한 PPO에 대한 저해활성을 조사하였다(그림 3).
- 먼저 암 조건에서 7일 동안 재배한 보리 잎을 수확하여 마쇄한 후 etioplast를 Percoll을 이용한 농도별 원심분리를 통하여 Sherman 등(1991) 등의 방법에 준하여 분리시켰다. 분리 된 etioplast는 50 mM N-2-hydroxyethylpiperazine- N' -2-ethanesulfonic acid(HEPES, pH 7.8), 330 mM sucrose, 1 mM MgC12, 5 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), 2.5 mM dithiothreitol(DTT), and 0.1%(w/v) bovine serum albumin(BSA)로 구성된 완충용액을 사용하여 단백질 함량을 4 mg/ml으로 희석 조정하였다. 단백질 함량은 bovine serum albumin(BSA)을 표준물질로 하는 Bradford 법(1976)으로 측정하였다.
- 3 cm 담수상태로 온실에서 재배하면서 이앙 후 0, 2, 5, 7일 후 제초제를 처리하였다. 실험은 3반복으로 수행하였고, 피 방제효과는 제초제 처리 2주일 후 달관(0>100)으로 조사하였다.
- 3 cm 담수상태에서 이앙 2일 후 제초제를 처리하고 약제처리 4주 후 초장을 측정하여 무처리와 비교하였다. 이앙심도에 따른 안전성 조사는 육묘상자에서 생육시킨 2엽기의 모를 폿트(표면적 150 cm2) 당 3본씩 1, 2, 3 cm 깊이로 이앙한 후 3 cm 담수상태에서 이앙 2일 후 제초제를 처리하고 4주 후 초장과 분얼 수를 조사하여 무처리와 비교하였다.
- 각 폿트는 3 cm 담수상태로 28-33℃ (주간), 20-26℃ (야간)의 온실에 두고 담수상태에서 제초제 용액을 점적 처리하였다. 제초제 용액은 합성 원제를 용매(아세톤)로 녹이고 tween-20을 0.1% 첨가시킨 증류수로 희석하여 처리 농도를 조정하였다. 제초제 처리 용액에 함유된 아세톤 의 최종 농도는 50% 이었다.
- 단백질 함량은 bovine serum albumin(BSA)을 표준물질로 하는 Bradford 법(1976)으로 측정하였다. 제초제는 아세톤으로 용해시켜 사용하였고, 동일한 양의 아세톤이 첨가된 것을 무처리로 하였다. 제초제 처리 후 Protox의 활성은 Sherman등 (1991)의 방법으로 Kontron Instruments SFM 25를 이용하여 excitation 395 nm와 emission 622 nm에서 측정하였다.
- 5엽기의 모를 폿트(표면적 150 cm2) 당 10본씩 이앙하고 3 cm 담수상태에서 이앙 2일 후 제초제를 1,000 g ai/ha와 4,000 g ai/ha로 처리하고 온실에서 재배하였다. 제초제에 대한 품종별 약해는 2주 후 초장과 분얼 수를 조사하여 무처리와 비교하였다.
- 제초제 처리 용액에 함유된 아세톤 의 최종 농도는 50% 이었다. 제초효과는 제초제 처리 2주일 후 달관(0-100)으로 조사하였다.
- 표면적 150 cm2 의 플라스틱 폿트에 곤죽 시킨 논토양을 담고, 1년생 잡초 종자(발아율 70% 이상)를 일정량씩 파종한 후 혼화시켰다. 대상으로 하였던 1년생 잡초는 모두 8종으로 피(Echinochloa oryzicola, ECHOR), 올챙이고랭이 (Scirpus juncoides, SCPJU), 물달개비 (Monoc/roria vaginalis, MOOVA), 밭뚝외풀(Lindernia procumbens, LIDPY), 마디꽃 (Rotala indica, ROTIN), 사마귀풀 (Aneilema keisak, ANEKE), 알방동사니 (Cypeg difformis, CYPDI), 여뀌바늘(Ludwigia prostrata.
대상 데이터
- 표면적 150cm2 의 플라스틱 폿트에 곤죽 시킨 논토양을 담고 강피 종자(발아율 70% 이상)를 파종한 후 혼화시켰다. 동일 폿트에 육묘상자에서 재배한 2.5엽기의 유묘를 3본씩 3 cm 깊이로 이앙하였다. 3 cm 담수상태로 온실에서 재배하면서 이앙 후 0, 2, 5, 7일 후 제초제를 처리하였다.
- 제초제 처리 후 Protox의 활성은 Sherman등 (1991)의 방법으로 Kontron Instruments SFM 25를 이용하여 excitation 395 nm와 emission 622 nm에서 측정하였다. 반응액의 조성은 100 nN HEPES(pH 7.5), 5 mM EDTA, 2 mMDTT, 1% Tween 20과 약 2 mM Protogen IX으로 하였다. Protogen IXe Jacobs and Jacobs의 방법 (1982) 에 준하여 Proto IX을 sodium amalgam으로 환원시켜 사용하였다.
이론/모형
- 5), 5 mM EDTA, 2 mMDTT, 1% Tween 20과 약 2 mM Protogen IX으로 하였다. Protogen IXe Jacobs and Jacobs의 방법 (1982) 에 준하여 Proto IX을 sodium amalgam으로 환원시켜 사용하였다.
- 1%(w/v) bovine serum albumin(BSA)로 구성된 완충용액을 사용하여 단백질 함량을 4 mg/ml으로 희석 조정하였다. 단백질 함량은 bovine serum albumin(BSA)을 표준물질로 하는 Bradford 법(1976)으로 측정하였다. 제초제는 아세톤으로 용해시켜 사용하였고, 동일한 양의 아세톤이 첨가된 것을 무처리로 하였다.
- Protox 저해활성은 보리를 이용하여 조사하였다. 먼저 암 조건에서 7일 동안 재배한 보리 잎을 수확하여 마쇄한 후 etioplast를 Percoll을 이용한 농도별 원심분리를 통하여 Sherman 등(1991) 등의 방법에 준하여 분리시켰다. 분리 된 etioplast는 50 mM N-2-hydroxyethylpiperazine- N' -2-ethanesulfonic acid(HEPES, pH 7.
- 제초제는 아세톤으로 용해시켜 사용하였고, 동일한 양의 아세톤이 첨가된 것을 무처리로 하였다. 제초제 처리 후 Protox의 활성은 Sherman등 (1991)의 방법으로 Kontron Instruments SFM 25를 이용하여 excitation 395 nm와 emission 622 nm에서 측정하였다. 반응액의 조성은 100 nN HEPES(pH 7.
성능/효과
- Oxadiazon 역시 과다한 4, 000 g ai/ha로 처리하는 동일 조건에서 비교할 경우 태백벼과 향미벼 II를 제외한 모든 품종의 초장 감소율은 40-50% 이었고, 분얼 수 감소율은 모든 품종에 대하여 50~70%로 나타났다. 1,000 g a* i/ha 처리하였을 때에도 대진벼과 대안벼에 대해서는 30% 내외의 초장 감소율을 초래하였고, 동진벼와 향미벼 II를 제외한 모든 품종의 분얼 수 감소율이 20~60%로 나타났다. 따라서 16개 품종에 대한 안전성은 실제로 사용되고 있는 제초제 oxadiazon보다 EK-5439가 높다고 할 수 있다.
- Oxadiozon을 과다하게 2,000 g ai/ha로 처리할 때 3 cm 이앙심도에서는 30%이내의 초장 억제율과 15%정도의 분얼 수 감소를 보였지만, 1 cm 이앙심도에서는 70% 정도의 초장 억제율과45% 정도의 분얼 수 감소를 나타내었다. 1,000 g ai/ha 처리에서도 초장 억제율이 50% 정도이었고, 250 g ai/ha 처리에서도 20% 정도의 초장 억제율 을나타내었다.
- 1) 살 초작용을 위해서는 빛이 필요하다. 2) 약해의 증상이 매우 빨리 나타난다(약제 살포 후 수 시간 내에 살초 증상을 볼 수 있다). 3) 주로 post-emergence 타입이다 (최근에는 pre-emergence 타입도 발견되고 있다).
- 4)약제에 대한 식물의 저항성이 생기지 않는다. 5) 토양 미생물에 의한 분해가 빨라서 윤작에 문제가 없으며 환경오염의 문제도 거의 없다. 특히 이 제초제의 가장 큰 장점은 단위 ha당 약제의 사용량이 ALS 저해제인 sulfonylurea계 제초제와 더불어 가장 적다.
- EK-5439를 4, 000 g ai/ha로 처리하였을 경우와 1,000 g a* 로 처리하였을 경우 모두 16개 벼 품종의 초장 억제율은 10% 내외이었고 가장 감수성이 큰 품종은 추청벼와 안다벼로 4, 000 g ai/ha 처리시 각각 21%, 22%로 나타났지만 1,000 g ai/ha에서는 10% 내외이었다. 그러나 분얼 수에 미치는 영향은 비교적 크게 나타나 4, 000 g ai/ha 로 처리할 경우 대진벼, 서진벼, 오대벼, 화성벼, 추청벼, 일품벼, 안다벼, 태백벼 에 대해서는 30~50%의 분얼 수 감 소를 초래하였다.
- Oxadiazon 역시 과다한 4, 000 g ai/ha로 처리하는 동일 조건에서 비교할 경우 태백벼과 향미벼 II를 제외한 모든 품종의 초장 감소율은 40-50% 이었고, 분얼 수 감소율은 모든 품종에 대하여 50~70%로 나타났다. 1,000 g a* i/ha 처리하였을 때에도 대진벼과 대안벼에 대해서는 30% 내외의 초장 감소율을 초래하였고, 동진벼와 향미벼 II를 제외한 모든 품종의 분얼 수 감소율이 20~60%로 나타났다.
- 한편, oxadiazon의 경우에는 EK-5439에 비하여 초장과 분얼 수의 감소 폭이 크게 나타났다. Oxadiozon을 과다하게 2,000 g ai/ha로 처리할 때 3 cm 이앙심도에서는 30%이내의 초장 억제율과 15%정도의 분얼 수 감소를 보였지만, 1 cm 이앙심도에서는 70% 정도의 초장 억제율과45% 정도의 분얼 수 감소를 나타내었다. 1,000 g ai/ha 처리에서도 초장 억제율이 50% 정도이었고, 250 g ai/ha 처리에서도 20% 정도의 초장 억제율 을나타내었다.
- 이러한 작용기작 때문에 PPO 저해제는 엽록소생합성 저해 및 파괴로 인한 bleaching 현상이 나타나며, 살초활성을 위해서는 빛이 필요하다는 사실이 밝혀졌다(Duke 등, 1991; Hkai, 1999; Hirai 등, 2002). 결과적으로 EK-5439에 의한 살초 작용은 발아 후 유아부가 제초제 처리 충을 통과하면서 접촉되어 PPO 저해에 의한 chlorophyll 생합성이 억제되어 고사되는 것으로 설명할 수 있다. 그러나 이앙 벼의 경우에는 엽초 부위가 처리층에 노출되지만 생장점이 보호되어 있고, 엽초 부위는 잎보다 chlorophyll 생합성이 왕성하게 이루어지지 않기 때문에 생장에 미치는 영향이 적을 수 있다.
- 표면적 150 cm2 의 플라스틱 폿트에 곤죽 시킨 논토양을 담고, 1년생 잡초 종자(발아율 70% 이상)를 일정량씩 파종한 후 혼화시켰다. 대상으로 하였던 1년생 잡초는 모두 8종으로 피(Echinochloa oryzicola, ECHOR), 올챙이고랭이 (Scirpus juncoides, SCPJU), 물달개비 (Monoc/roria vaginalis, MOOVA), 밭뚝외풀(Lindernia procumbens, LIDPY), 마디꽃 (Rotala indica, ROTIN), 사마귀풀 (Aneilema keisak, ANEKE), 알방동사니 (Cypeg difformis, CYPDI), 여뀌바늘(Ludwigia prostrata. LUDPR) 등이었다. 각 폿트는 3 cm 담수상태로 28-33℃ (주간), 20-26℃ (야간)의 온실에 두고 담수상태에서 제초제 용액을 점적 처리하였다.
- 1,000 g a* i/ha 처리하였을 때에도 대진벼과 대안벼에 대해서는 30% 내외의 초장 감소율을 초래하였고, 동진벼와 향미벼 II를 제외한 모든 품종의 분얼 수 감소율이 20~60%로 나타났다. 따라서 16개 품종에 대한 안전성은 실제로 사용되고 있는 제초제 oxadiazon보다 EK-5439가 높다고 할 수 있다.
- 이앙재배에서는 벼와 잡초의 생육 차이에 따른 감수성 차이를 이용하여 제초제에 의한 선택적 잡초방제를 하고 있다. 따라서 제초제에 의한 약해발생은 벼의 묘령이 증가될수록 안전성이 높아진다. 육묘상자에서 재배한 2, 3, 4엽기의 모를 이앙하고 제초제를 처리한 결과(표 2) 2엽기 이상의 모에 대해서는 EK-5439를 2,000 g ai/ha로 처리하여도 약해를 발생하지 않았다.
- EK-5439 처리에서 무처리보다 생장이 증가된 것처럼 보이지만 이는 통계적으로 유의차를 인정할 수 없었다. 또한 동일 조건에서 비교할 경우 이앙벼에 대한 안전성은 EK-5439이 oxadiazon보다 우수한 것으로 나타났다. 벼에 대한 안전성은 이앙 벼의 묘령뿐만 아니라 이앙심도에 의해서도 변화될 수 있다(한 등, 1990a; b; 김, 1992).
- 즉, 1 cm 이앙심도와 2,000 g ai/hm 처리 구에서의 초장 억 제효과가 가장 크게 나타났지만 억제율은 10% 내외이었다. 분얼 수에 대한 영향도 초장 억제효과와 같이 처리량이 증가하면서 이앙심도가 낮을 때 억제율이 높게 나타났지만 10% 내외이었다. 한편, oxadiazon의 경우에는 EK-5439에 비하여 초장과 분얼 수의 감소 폭이 크게 나타났다.
- l, 000gai/ha 처리에서도 대진벼과 서안 벼에 대해서는 30~40%의 분얼 수 감소를 보였고, 추청벼, 일품벼, 안다벼, 태백벼 등에 대해서도 20% 내외의 분얼 수 감소를 초래하였다. 이러한 분얼 수 감소는 최종 수확에 영향을 미칠 것으로 판단되지만EK-5439는 100gai/ha 내외의 처리에서도 1년생 잡초를 방제하기 때문에 과다하게 4,000g ai/ha을 처리하였고, 수확량에 직접적으로 영향을 미치는 유효 분얼 수를 고려할 때 EK-5439는 국내에서 재배하고 있는 16개 품종에 대해서 안전성은 보장된다고 할 수 있다.
- 이에 따라 본 연구팀에서는 수도용 PPO저해 제초제를 개발하기 위하여 다양한 화합물을 합성하였고, bicyclic pyrazole 구조를 가지는 여러 가지의 2-(5-isoxazolinyl methoxyphenyl)4, 5, 6, 7-tetrahydro-2//-indazole 유도체를 합성하여 제초활성을 조사하였는데 이들 중에서 3-Chloro-2-[4-chloro-2-fluoro-5-(3-phenyl-5-methyl-4, 5-dihy droisoxazol-5-ylmethoxy)-phenyl]-4, 5, 6, 7-tetrahydro-2H_ mdazole(EK-5439, 그림 1)은 토양처리로 1년생 잡초에 대한 방제효과가 높고, 벼와 피에 대한 선택성이 매우 우수한 것을 발견하게 되었다.
- 이앙 벼에 대해 안전하면서 잡초방제 효과가 우수한 최적 처리시기를 파악한다는 것은 제초제 처리에 의한 잡초방제 효율을 증진시킬 수 있는 중요한 요인이 된다. 피를 파종하고 2.5엽기의 벼 유묘를 이앙한 후 3 cm 담수상태에서 0, 2, 5, 7일 후 제초제를 처리하여 생육 시기별 피 방제효과를 조사한 결과(그림 2) 5일 후 처리까지는 16 g ai/ha 처리에서도 97% 이상의 방제효과를 보였지만 7일 후 처리에서는 1,000 g ai/ha 처리에서도 90%의 방제효과를 보였다. 즉, 토양처리의 경우 EK-5439 를 처리하여 피를 방제하기 위해서는 써레질 후 5일 이내에 처리하여야 효과적인 잡초 방제효과를 기대할 수 있을 것이다.
- 육묘상자에서 재배한 2, 3, 4엽기의 모를 이앙하고 제초제를 처리한 결과(표 2) 2엽기 이상의 모에 대해서는 EK-5439를 2,000 g ai/ha로 처리하여도 약해를 발생하지 않았다. 피를 포함한 1년생 잡초를 방제하는데 필요한 처리농도가 16~63 g ai/ha이었던 살초스펙트럼 조사결과를 감안하면 선택성의 폭이 30배 이상으로 벼에 대한 안전성은 매우 높은 것으로 나타났다. EK-5439 처리에서 무처리보다 생장이 증가된 것처럼 보이지만 이는 통계적으로 유의차를 인정할 수 없었다.
후속연구
- 그러나 사마귀풀에 대해서는 125 g ai/ha이상에서 방제가 가능하였고, 올챙이고랭이에 대해서는 250 g aVha에서도 방제하지 못하였다. 동일한 약량에서 기존의 제초제 oxadiazon과 방제효과를 비교하면 EK-5439가 우수한 것으로 나타났으나 다양한 포장 조건에서 확인되어야 할 것으로 사료된다. 임 등(2003)에 따르면 우리나라 논에서 발생하는 잡초 종은 경작 방식에 따라 다르지만 공통적으로 우점하는 초종은 물달개비, 피, 밭뚝외풀, 여뀌바늘, 사마귀풀, 한련초 등이라고 하였는데 EK-5439를 처리할 경우 대부분의 1년생 우점잡초를 방제할 수 있음을 알 수 있었다.
- 제초제는 처리시기에 따라 초기, 중기, 후기제 초제로 구분하게 되는데, EK-5439의 처리 적기는 써레질 동시 처리 또는 이앙 후 초기처리 제초제로서의 특징을 가지고 있었다. 따라서 트랙터 또는 이앙기에 제초제 처리 장치를 부착하여 제초제 처리작업을 동시에 수행하게된다면 농업인구의 감소와 노령화를 극복하기 위한 기계화나 생력화 방안으로 바람직할 것으로 생각되었다.
- 5엽기의 벼 유묘를 이앙한 후 3 cm 담수상태에서 0, 2, 5, 7일 후 제초제를 처리하여 생육 시기별 피 방제효과를 조사한 결과(그림 2) 5일 후 처리까지는 16 g ai/ha 처리에서도 97% 이상의 방제효과를 보였지만 7일 후 처리에서는 1,000 g ai/ha 처리에서도 90%의 방제효과를 보였다. 즉, 토양처리의 경우 EK-5439 를 처리하여 피를 방제하기 위해서는 써레질 후 5일 이내에 처리하여야 효과적인 잡초 방제효과를 기대할 수 있을 것이다. 제초제는 처리시기에 따라 초기, 중기, 후기제 초제로 구분하게 되는데, EK-5439의 처리 적기는 써레질 동시 처리 또는 이앙 후 초기처리 제초제로서의 특징을 가지고 있었다.
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